Химические свойства жиров проявляются в реакциях гидролиза , окисления игидрогенизации . Ускорение или замедление этих реакций обусловлено влиянием находящихся в природных жирах сопутствующих веществ, которые иногда оказывают специфическое воздействие на характер протекающего процесса и сами претерпевают различные превращения.
Жидкие растительные жиры с помощью катализаторов могут превращаться в твердые путем насыщения водородом непредельных жирных кислот . Процесс этот носит название гидрогенизации . Гидрогенизированные жиры называют саломасами и используют в пищевой промышленности при изготовлении маргаринов и кулинарных жиров. По месту двойных связей к жирным кислотам могут присоединяться кислород, бром, йод, некоторые другие простые и сложные вещества.
В процессе гидролиза жиры расщепляются на глицерин и свободные кислоты:
Важное значение при гидролизе жиров имеет присутствие воды , так как она принимает непосредственное участие в реакциях. Гидролиз жиров ускоряется под действием содержащихся в них щелочей, кислот, ферментов липаз, а также ферментов микроорганизмов и сопутствующих жирам веществ – белков, липоидов, слизей и др. Реакция гидролиза жиров усиливается при повышении температуры.
Реакция гидролиза триглицеридов протекает чаще всего бимолекулярно, т. е. на одну молекулу триглицерида действует одна молекула воды, при этом образуется диглицерид, который затем расщепляется до моноглицерида, в дальнейшем образуется глицерин и жирные кислоты.
Нагрев до 200 °С и повышение давления, присутствие катализаторов (СаО, МgО, Zn), присутствие небольших количеств кислот, наличие щелочей ускоряют гидролиз (кислоты катализируют гидролиз водородными, а щелочи –гидроксильными ионами).
Неферментативный гидролиз протекает за счет растворенной в жире воды, т. е. происходит в жировой фазе, где растворенная вода вступает в реакцию. Ничтожно малая растворимость воды в жирах при комнатной температуре обеспечивает незначительную степень гидролиза жиров и масел. Сопутствующие вещества в жирах ускоряют их гидролиз как специфичностью воздействия, так и большей способностью связывать влагу. Жиры и масла с такими веществами могут иметь воду выше предела ее растворимости в жире. Высокие температуры катализируют гидролиз за счет тепловой активации, а также повышения растворимости воды в жире. При кулинарной обработке, в частности при длительном кипячении, триглицериды могут гидролизоваться, полученные жирные кислоты образуют эмульсию и придают бульонам мутность. Чтобы бульон не приобретал неприятного вкуса и запаха, необходимо своевременно удалять жир с его поверхности.
Гидролиз жиров, происходящий под действием ферментов во время хранения или при усвоении их организмом, называется ферментативным . Ферментативный гидролиз происходит исключительно на поверхности соприкосновения жира и воды, поэтому чем выше степень дисперсности эмульсии, тем выше скорость гидролиза, так как больше поверхность жира. Усвояемость жира, таким образом, зависит не только от температуры плавления (чем ближе температура плавления жира к температуре организма человека, тем выше его усвояемость), но и от степени дисперсности жировой эмульсии. Жир молока, сливок, сметаны, мороженого, коровьего масла, кисломолочных продуктов, маргарина находится в виде хорошо диспергированной эмульсии и поэтому сравнительно хорошо и легко усваивается. Для повышения усвояемости жиров в кулинарии приготовляют жировые эмульсии – соусы майонез и голландский, различные заправки и т. д.
Гидролиз жиров используется в жироперерабатывающей промышленности при получении мыла, глицерина и некоторых других продуктов.
Едкие щелочи (NaОН и КОН) также вызывают гидролиз жиров. Этот процесс называют омылением , так как в результате воздействия NaОН и КОН образуются натриевые и калиевые соли жирных кислот, называемые мылами .
Окисление жиров представляет собой реакцию непредельных жирных кислот с кислородом. Эта реакция активизируется под действием света, кислорода, тепла и некоторых веществ , содержащихся в жирах. Масло, хорошо очищенное от сопутствующих веществ, изолированное от кислорода воздуха, в темноте сохраняется в течение длительного времени. Присутствие в жирах таких металлов, как кобальт, марганец, медь, железо и некоторых других, ускоряет процесс окисления. Металлы в реакциях окисления играют роль катализаторов .
В процессе окисления жиры прогоргают и претерпевают изменения, которые резко ухудшают их пищевое достоинство. Они часто становятся непригодными для употребления в пищу из-за неприятного жгучего или горького вкуса и резкого запаха. Быстрее прогоркают жиры, содержащие непредельные жирные кислоты, особенно олеиновую, линолевую и линоленовую.
Предельные жирные кислоты реакциям самоокисления не подвергаются.
На основании большого количества исследований сделаны выводы, что прогоркание жиров вызывается исключительно окислительными процессами. Согласно этой теории непредельные жирные кислоты или жиры при самоокислении присоединяют по месту двойной связи кислород и превращаются в перекись, переходящую с отщеплением атома кислорода в оксид.
непредельная перекись оксид активный
кислота кислород.
В дальнейшем оксиды могут перейти в кетокислоты, пероксиды и оксикислоты. Под действием озона, находящегося в воздухе, возможно также образование из непредельных жирных кислот альдегидов и кетонов. Следовательно, в процессе самоокисления в прогорклых жирах накапливаются разнообразные продукты распада.
Многие пищевые продукты, содержащие значительное количество жира, способны прогоркать во время хранения, например, пшено, кукурузная мука, орехи, семена подсолнечника, растительные и коровье масла.
Прогоркание сливочного и топленого коровьего масла и маргарина под действием света сопровождается явлением осаливания , которое состоит в том, что масло белеет на поверхности и приобретает свойственные салу вкус и запах. Осаливание масла – результат перехода под действием света непредельных жирных кислот в оксистеариновые кислоты , имеющие белый цвет.
В природных жирах часто присутствуют или добавляются специально вещества, препятствующие окислению; они тормозят окислительные процессы и тем самым замедляют порчу жиров. Такие вещества называют антиоксидантами . Роль естественных антиоксидантов в растительных жирах играют токоферолы (витамин Е), фенольные соединения, витамин С .
Для длительного хранения пригодны только хорошо очищенные жиры, свободные от остатков тканей, белковых слизистых веществ и с минимальным количеством воды. Хранить жиры необходимо хорошо упакованными для предохранения от действия воздуха и света, при пониженных температурах, в чистых помещениях.
Свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот, их количественным соотношением, процентным содержанием свободных, не связанных с глицерином, жирных кислот, соотношением различных триглицеридов и т.п.
Насыщенные жирные кислоты образуют триглицериды, имеющие при обычной температуре твердую консистенцию. Среди них встречаются как животные (например, говяжий жир), так и растительные (например, масло какао) жиры. Ненасыщенные жирные кислоты образуют триглицериды, имеющие при тех же условиях жидкую консистенцию - животные жиры (например, рыбий жир) и подавляющее большинство растительных масел.
Жиры и масла жирны на ощупь, нанесенные на бумагу, оставляют характерное "жирное" пятно, не исчезающее при нагревании, а, наоборот, еще сильнее расплывающееся. При обыкновенной температуре масла не загораются, но нагретые или в виде паров горят ярким пламенем. Чистые триглицериды бесцветны, но природные жиры более или менее окрашены. Масла обычно желтоватые вследствие присутствия каротиноидов, некоторые из них могут быть окрашены хлорофиллом в зеленый цвет, или, что еще реже, в красно-оранжевый или иной цвет в зависимости от вида липохромов. Запах и вкус свежих жиров специфичны. Запах обусловлен присутствием следов эфирных масел (терпены, алифатические углеводороды и др.). В некоторых жирах содержатся обладающие запахом сложные эфиры низкомолекулярных кислот. Специфический запах рыбьих жиров обусловлен сильно ненасыщенными жирными кислотами или, вернее, продуктами их окисления.
Плотность подавляющего числа жиров находится в пределах 0,910-0,945. Лишь у немногих масел (например, касторового) плотность выше - до 0,970 (при 20°С, по ГФ X).
В воде жиры и масла нерастворимы, но их можно заэмульгировать в воде с помощью поверхностно-активных веществ. В этаноле растворяются трудно (или не растворяются), за исключением касторового масла. Легко растворимы в диэтиловом эфире, хлороформе, сероуглероде, бензине, петролейном эфире, вазелиновом масле. Жиры и масла смешиваются между собой в любых соотношениях. Они являются хорошими растворителями эфирных масел, камфоры, смол, серы, фосфора и ряда других веществ.
Температура плавления твердых жиров возрастает с числом углеродных атомов, входящих в их состав жирных кислот. Поскольку жиры представляют сложные смеси разных триглицеридов, точка плавления их обычно не бывает четко выраженной. Сказанное в равной степени относится и к температуре застывания.
Температура кипения жиров не может быть определена, поскольку при нагревании до 250°С они разрушаются с образованием из глицерина сильно раздражающего слизистые оболочки глаз альдегида акролеина.
Кипят они в высоком вакууме. Жирные масла, состоящие из простых триглицеридов, оптически неактивны, если они не содержат примеси оптически активных веществ. В случае смешанных триглицеридов некоторые жирные масла могут проявлять оптическую активность.
Показатель преломления тем выше, чем больше содержится в жире триглицеридов ненасыщенных кислот. Например, масло какао имеет показетель преломления 1,457, миндальное - 1,470, льняное - 1,482.
Химические свойства жиров проявляются в их способности к омылению, прогорканию, высыханию и гидрогенизации.
Омыление. Триглицериды жирных кислот способны к превращениям, характерным для сложных эфиров. Под влиянием едких щелочей происходит расщепление эфирных связей, в результате чего образуются свободный глицерин и щелочные соли жирных кислот (мыла).
Реакция омыления широко используется для приготовления бытовых и медицинских мыл, а также для выяснения состава жиров и их доброкачественности. С этой целью определяют число омыления , то есть количество миллиграммов едкого калия (KOH), необходимое для нейтрализации свободных и связанных в виде триглицеридов жирных кислот, содержащихся в 1 г жира.
Прогоркание. Этот сложный химический процесс происходит при хранении жира в неблагоприятных условиях (доступ воздуха и влаги, свет, тепло), в результате чего жиры приобретают горьковатый вкус и неприятный запах. Если жиры в этих условиях подвергаются действию фермента липазы, то происходит их разложение, аналогичное реакции омыления. Этот вид порчи жира легко контролируется по величине кислотного числа (КЧ). Под этой константой понимается количество милиграммов едкого калия (KOH), которое необходимо для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1 г жира. Доброкачественные жиры содержат небольшое количество свободных жирных кислот.
С помощью других констант можно определить природу содержащихся в масле свободных жирных кислот. Так, по числу Рейхерта-Мейсля можно судить о количестве летучих растворимых в воде кислот, а по числу Поленске - о количестве летучих кислот, нерастворимых в воде. Числом Рейхерта-Мейсля называется количество миллилитров 0,1 Мэ раствора едкого калия, необходимое для нейтрализации летучих, растворимых в воде жирных кислот, полученных при строго определенных условиях из 5 г жира. Число Поленске устанавливают вслед за определением летучих кислот в той же навеске жира. Выпавшие жирные кислоты переводят в спиртовой раствор и титруют 0,1 Мэ спиртовым раствором едкого калия.
Для более точного представления о количестве содержащихся в жирах глицеридов из числа омыления вычитают кислотное число и получают так называемое эфирное число (ЭЧ), которое характеризует только связанные жирные кислоты.
Иногда прогоркание жиров зависит от жизнедеятельности микроорганизмов, вызывающих окисление отщепленных жирных кислот в кетоны или альдегиды. Однако чаще всего прогоркание жиров обусловливается окислением ненасыщенных жирных кислот кислородом воздуха. Последний может присоединяться по месту двойных связей, образуя перекиси.
Кислород может присоединяться также и к углеродному атому, соседнему с двойной связью, образуя гидроперекиси.
Образовавшиеся перекиси и гидроперекиси подвергаются разложению с образованием альдегидов и кетонов. Для характеристики окислительного прогоркания жира используется константа, известная под названием перекисное число , которое выражается количеством иода, пошедшего на разрушение перекисей.
Высыхание. Намазанные тонким слоем жидкие жиры ведут себя на воздухе по-разному: одни остаются без изменения жидкими, другие, окисляясь, постепенно превращаются в прозрачную смолоподобную эластичную пленку - линоксин, нерастворимую в органических растворителях. Масла, не образующие пленку, называются невысыхающими. Главной составной частью в таких маслах являются глицериды олеиновой кислоты (с одной двойной связью). Масла, образующие плотную пленку, называются высыхающими. Главной составной частью в таких маслах являются глицериды линоленовой кислоты (с тремя двойными связями). Масла, образующие мягкие пленки, называются полувысыхающими. Главной составной частью в таких маслах являются глицериды линолевой кислоты (с двумя двойными связями). Способность некоторых масел к высыханию широко используется в народном хозяйстве (лакокрасочная промышленность). Для медицины, наоборот, представляют интерес масла невысыхающие, поскольку они используются для парентерального введения лекарственных средств.
Олеиновая кислота обладает способностью под влиянием азотистой кислоты переходить в свои стереоизомер - элаидиновую кислоту, которая при комнатной температуре имеет твердую консистенцию. Этой реакцией, известной под названием элаидиновая проба, широко пользуются для определения типа масла: если проба положительная, то, следовательно, исследуемое масло невысыхающее (содержит триглицериды олеиновой кислоты).
Надежным способом выявления высыхаемости масел служит определение йодного числа. Известно, что все непредельные кислоты, в том числе и жирные, способны присоединять по месту двойной связи галогены. Чем больше в жирных кислотах будет двойных связей, тем больше присоединится галогенов. Для аналитических целей обычно используют йод; под йодным числом понимается количество граммов иода, которое поглощается 100 г жира. Таким образом, по величине йодного числа можно легко установить, к какой группе по степени высыхаемости относится то или иное масло.
Физические свойства жиров
1. Удельный вес.
Удельный вес животных жиров колеблется в пределах 0,915—0,964 (при 15°).
Удельный вес жира тем выше, чем выше в нем содержание глицеридов низших кислот, оксикислот и ненасыщенных кислот и чем сильнее степень их ненасыщенности.
При изменении температуры жидкого жира его удельный вес меняется в зависимости от изменения его объема. коэффициент объемного расширения жира в среднем равен 0,0007.
При окислении удельный вес жира повышается; при гидролизе понижается.
Удельные веса нейтральных жиров выше, чем удельные веса соответствующих смесей жирных кислот, причем разница между обеими величинами пропорциональна числу омыления.
2. Температура плавления жиров, температура застывания и титр.
Способность жира к эмульгированию, а следовательно, и к усвоению его организмом, зависит от его температуры плавления: чем ниже температура плавления жира, тем легче он эмульгируется с водой и тем выше его усвояемость.
Пищевые жиры в зависимости от усвояемости делятся на три группы:
к первой группе относятся жиры, температура плавления которых ниже или равна температуре человеческого тела (37°).
Такие жиры усваиваются организмом на 97—98% (например, костный, свиной жир, олео-маргарин).
Ко второй группе относятся жиры, температура плавления которых выше 37° (говяжий, бараний и др.).
Эти жиры усваиваются на 89—93%.
К третьей группе относятся жиры, температура плавления которых значительно выше, чем 37°. Такие жиры или совсем не усваиваются, или усваиваются незначительно.
Так, усвояемость тристеарина, температура плавления которого 711,5°, составляет всего лишь 14%.
Усвояемость жиров мясных животных составляет (в %):
|
Говяжьего |
|
|
Бараньего |
Температура плавления жиров зависит от природы жира, упитанности скота, породы, возраста животного и ряда других причин.
Чем больше в жире насыщенных глицеридов, тем жир более тугоплавок.
Самцы обладают более твердым жиром, чем самки.
Сало, снятое с внутренних органов, богаче твердыми глицеридами, чем подкожное сало.
Жир одного и того же животного тем беднее глицеридами ненасыщенных кислот, чем ближе соответствующие части, с которых снят жир, лежат к желудочно-кишечному тракту.
Животные теплого климата обладают более твердым жиром, чем животные умеренных или холодных стран.
Твердость жира зависит и от корма животного: у животных, получающих в корм жмыхи масличных семян, менее твердый жир, чем у животных, которым скармливают сено. Жиры упитанных животных более богаты ненасыщенными глицеридами.
Температура плавления жира зависит не столько от наличия двойных связей в триглицеридах, сколько от их местоположения.
Простые (однокислотные) глицериды плавятся при несколько более высокой температуре, чем соответствующие им кислоты.
Так, например, тристеарин плавится при 71,6°, а стеариновая кислота— при 69,6°.
Наличие гидроксильных групп повышает температуру плавления, Смешанные (разнокислотные) глицериды плавятся при более низкой температуре, чем однокислотные глицериды, и температура плавления многих смешаннокислотных глицеридов лежит ниже температуры плавления самой низкоплавкой кислоты из числа входящих в состав глицерида.
Так, тристеарин плавится при 71,6°, трипальмитин — при 63°, а стеародипальмитин — при 55°.
Для глицеридов и их смесей характерным является наличие двойных точек плавления: расплавленный жир при дальнейшем нагревании на несколько градусов вновь затвердевает и затем окончательно плавится.
При повторном плавлении вскоре после затвердевания жиры плавятся при более высокой температуре.
Нормальная температура плавления появляется только после длительного или глубокого охлаждения.
Эти двойные точки плавления глицеридов объясняются полиморфизмом, который состоит в том, что вещество одного и того же химического состава может существовать в твердом состоянии в нескольких формах, или модификациях.
Последние обладают различными физическими свойствами, в частности различными температурами плавления.
При быстром охлаждении глицеридов и жирных кислот выпадает, обычно, лишь неустойчивая, или лабильная модификация, которая обладает самой низкой температурой плавления. При длительном хранении такого глицерида в закристаллизованном состоянии лабильная модификация начинает переходить в стабильную, при этом длительность перехода зависит не только от температуры, но и от молекулярного веса глицеридов.
По данным проф. Г. Б. Равича и его сотрудников, температуры плавления тристеарина и трипальмитина характеризуются следующими данными:
|
Тристеарин |
|||
|
Трипальмитин |
где: α, β. γ — модификации глицеридов, причем эти модификации тем устойчивее, чем выше температура плавления, т. е. наиболее стабильной является α=модификация и наименее стабильной γ-модификация.
Так как жиры являются смесью различных глицеридов с различными температурами плавления, то переход из твердого состояния в жидкое совершается не сразу, и уловить конец перехода трудно.
Поэтому температура плавления жиров не является точной константой.
Жиры застывают также не сразу, а постепенно: сначала в твердое состояние переходит наиболее тугоплавкие составные части, что выражается в помутнении массы, которое делается все сильнее, пока не затвердеет вся масса.
Конечную точку этого беспрерывного застывания определить очень трудно.
Более характерной является та температура, которая в течение некоторого времени после застывания жира остается неизменной, или та максимальная температура, которая достигается при застывании жира вследствие выделения скрытой теплоты плавления.
Эти температуры и называют температурой застывания жиров.
Температуры плавления и застывания быстро охлажденных жиров более или менее разнятся между собой.
Чем медленнее изменение температуры, тем больше эти точки сближаются.
В практике зачастую определяют не температуру застывания жира, а температуру застывания выделенных из него жирных кислот, так называемый титр жира.
Смесь жирных кислот имеет более резко выраженную температуру застывания, так как состоит из меньшего числа компонентов.
Кроме того, наличие в жире свободных жирных кислот влияет на температуру застывания жира, и одни и те же жиры, в зависимости от кислотности, обладают различными температурами застывания.
3. Вязкость.
В практике принято вязкость жира измерять в градусах, которые дают отношение времени истечения определенного объема жира при точно определенных условиях ко времени истечения такого же объема воды при тех же условиях.
Обычно вязкость жира измеряют в градусах Энглера.
Вязкость жиров имеет большое значение в технологии выработки жиров, так как она влияет на теплопередачу, скорость отстаивания, скорость фильтрации и сепарирования и т. п.
Вязкость большей части жиров колеблется в относительно узких пределах.
Какого-либо закономерного отношения между вязкостью и составом жира не установлено.
Известно только, что вязкость, в общем, увеличивается с повышением молекулярного веса, а с увеличением йодного числа уменьшается.
Сильно влияют на увеличение вязкости оксикислоты в жирах.
При повышении температуры жира вязкость уменьшается. Так, по данным А. А. Соколова, при повышении температуры от 50 до 90°, т. е. менее чем в два раза, вязкость животных жиров падает почти в 2,8 раза.
4. Коэффициент рефракции,
или коэффициент преломления, является отношением скорости света в воздухе к скорости света в некотором веществе. Преломляющая способность выражается отношением синуса угла падения к синусу угла преломления. Коэффициент преломления глицеридов выше, чем соответствующих жирных кислот. Жиры с большим содержанием летучих жирных кислот, например коровье масло, обладают наиболее низкими коэффициентами преломления. При окислении жира коэффициент преломления увеличивается.
Химические свойства жиров
Химические свойства жиров определяют то влияние, которое оказывают условия производства и хранения на качество пищевых жиров, или на ход производственного процесса.
С этой точки зрения наибольший интерес представляют те свойства, от которых зависит порча жиров и их расщепление.
Различают следующие виды порчи жиров:
1) гидролитическое расщепление жиров;
2) окисление жиров:
а) прогоркание — альдегидное и кетонное,
б) осаливание.
Гидролиз жиров
Гидролитическое расщепление жиров вызывается действием воды. Гидролиз жира протекает по следующей схеме:
С3H5(ОСОR)3 + 3H2О = С3H5(ОН)3 + 3RCOOH
Реакция гидролиза обратима.
Состояние равновесия зависит от количественного соотношения реагирующих веществ, в частности, от воды.
Реакция гидролиза жира без наличия побуждающих факторов идет с очень небольшой скоростью.
Увеличивают скорость реакции следующие факторы:
а) Ферменты.
В числе многих ферментов, находящихся в животных клетках, имеется жирорасщепляющий фермент липаза.
При выработке жиров часть липазы переходит в жир, не утрачивая своей активности.
Если в жире содержится хотя бы небольшое количество воды, то при липазе гидролиз жира протекает с большой скоростью и особенно интенсивно в различных видах животной жировой ткани.
Жир, вытопленный и в достаточной степени очищенный, на протяжении длительного периода времени расщепляется незначительно.
Так, по данным проф. А. А. Зиновьева, кислотное число шпига при его хранении в комнатных условиях, с доступом света в течение 25 суток, увеличилось с 1,19 до 6,67. Кислотное число свиного жира, вытопленного из жировой ткани и очищенного, при тех же условиях хранения в течение 60 суток увеличилось лишь с 0,85 до 0,94.
Активность липазы находится в зависимости от ее происхождения, величины рН, свойств субстрата, наличия примесей и от температуры.
Так, липаза поджелудочной железы наиболее активна в щелочной среде (рН 8—9); липаза желудка — в кислой (рН 4,7— 5). Если же липазу желудка подвергнуть очистке, то оптимальное для ее действия рН увеличивается. Оптимальный температурный режим для деятельности липазы лежит в пределах 35—40°. Повышение температуры сверх 50° и снижение ниже 15° значительно ослабляет активность фермента. Однако деятельность липазы не прекращается даже при минусовой температуре (—17°).
б) Влияние температуры.
При повышении температуры. реакция расщепления жиров протекает с большей скоростью.
При воздействии насыщенного водяного пара на говяжий жир в автоклаве при давлении 7 и 15 ати кислотные числа жира изменяются следующим образом:
|
Давление |
Кислотные числа жира при продолжительности процесса |
|||
По данным проф. А. А. Зиновьева, кислотные числа свиного жира, хранившегося в течение 60 суток, повышаются: после хранения в холодильнике при минус 110° — от 0,85 до 0,87, после хранения в комнатных условиях — до 0,94 и в термостате (37°) — до 1,53.
В) Влияние оснований.
Присутствие оснований в реакционной среде, даже в небольших количествах, значительно усиливает гидролиз жиров.
Этим свойством оснований широко пользуются в жировой технике для расщепления жиров при выработке глицерина.
Такой метод расщепления жиров осуществляется в автоклавах, под давлением 7—8 ати в течение 8—11 часов в присутствии 2—3% окиси кальция (извести).
При этом достигают расщепления жиров на 90%.
Ускоряющее действие оснований вызывается тем, что при взаимодействии жира с окислами металлов образуются соответствующие соли жирных кислот (мыла). Образующиеся мыла способствуют эмульгированию жира и тем самым увеличению поверхности раздела фаз в этой гетерогенной системе.
г) Влияние серной кислоты.
Присутствие небольших количеств концентрированной серной кислоты при взаимодействии жира с водой вызывает расщепление жира.
Влияние серной кислоты сказывается в том, что образующиеся водородные ионы действуют каталитически на реакцию гидролиза, а получаемые продукты сульфирования (сульфожирные кислоты) обладают значительной эмульгирующей способностью. Образование сульфожирных кислот происходит в результате взаимодействия серной кислоты с ненасыщенными жирными кислотами.
Так, при действии серной кислоты на олеиновую получается сульфостеариновая кислота:
Сульфостеариновая кислота снижает поверхностное натяжение на границе жира и воды и тем способствует образованию эмульсии и увеличению поверхности раздела фаз.
Ранее этим свойством серной кислоты пользовались в технике для получения жирных кислот и глицерина.
В настоящее время в технике для расщепления жиров применяют более усовершенствованный, так называемый реактивный метод расщепления, сущность которого состоит в кипячении жира с водой и реактивом, эмульгирующим жир с водой.
В качестве эмульгатора применяют так называемый контакт проф. Г. С. Петрова, который является одним из наиболее зарекомендовавших себя в мировой технике. Контакт представляет собой смесь сульфонафтеновых кислот, получаемую из отходов при очистке соляровых или веретенных дистиллятов дымящейся серной кислотой.
При работе с контактом, добавляемым к жиру в количестве около 1% (плюс, примерно, 0,5% купоросного масла), степень расщепления достигает 92% и выше, с получением при этом светлых жирных кислот и хорошего качества глицериновой воды.
Окисление жиров
Окислительные процессы ведут к появлению резкого неприятного вкуса и запаха так называемого прогорклого жира.
Однако большей частью при порче жиров наблюдается наличие специфического запаха и неприятного, но не горького вкуса.
Процессы прогоркания и расщепления жиров идут независимо друг от друга, но так как ряд факторов, вызывающих активизацию этих процессов, является идентичным, то зачастую при прогоркании жира увеличивается и кислотность жира. Кроме того, глубокое окисление жира сопровождается образованием низкомолекулярных кислот.
Прогоркание жира является сложным окислительным процессом, при котором жиры приобретают специфический вкус и неприятный запах, вызываемые летучими веществами — альдегидами или кетонами.
Эти вещества получаются под воздействием кислорода воздуха на жиры.
Атмосферный кислород обладает слабой активностью, и реакция окисления без поступления энергии извне идет с небольшой измеримой скоростью. Способность жиров к окислению возрастает с повышением температуры, под влиянием облучения и т. п.
Различают альдегидное и кетонное прогоркание.
а) Альдегидное прогоркание.
Кислород воздуха, насыщая двойные связи, сначала приводит к образованию перекиси:
При действии воды на пероксид получается атомный кислород и образуются перекись водорода и озон:
Молекула озона присоединяется к непредельным жирным кислотам, и в результате образуется озонид, который под влиянием влаги расщепляется на молекулы с меньшим числом углеродных атомов, образуя альдегиды:
При дальнейшем окислении получаются низкомолекулярные кислоты — пеларгоновая и азелаиновая:
б) Кетонное прогоркание.
До недавнего времени считали, что кетонное прогоркание жиров происходит под влиянием микроорганизмов, например, плесеней Penicillium, Aspergillus; теперь установлено, что кетонное прогоркание происходит и в стерильной среде, т. е. чисто химическим путем.
Кетонное прогоркание, протекающее под влиянием микроорганизмов, происходит по следующей схеме: микроорганизмы вырабатывают ферменты, которые способствуют гидролизу триглицеридов.
Получаемые при этом жирные кислоты превращаются в аммонийные соли, реагируя с аммиаком, который образуется в результате распада белков, находящихся в жире.
Затем аммонийные соли подвергаются β-окислению.
Необходимые для этого процесса ферменты доставляются микроорганизмами, которые могут развиваться в жире, если он содержит воду и питательные вещества. Поэтому такой типичный бактериальный процесс наблюдается преимущественно на сливочном масле, неочищенном кокосовом масле, маргарине. Высокомолекулярные жирные кислоты (насыщенные — пальмитиновая, стеариновая) не способны подвергаться β-окислению.
В настоящее время доказано, что кетонное прогоркание может происходить без воздействия микроорганизмов, чисто химическим путем, и что получаемые при этом кетоны могут образоваться как из высокомолекулярных насыщенных жирных кислот, так и из ненасыщенных.
Химический состав и пищевая ценность жиров.
Классификация пищевых жиров.
Физические свойства и показатели жиров.
Химические свойства и показатели жиров.
Количественный анализ жиров.
1Вопрос. Химический состав и пищевая ценность жиров
В большинстве случаев в быту под термином «жиры» понимают группу пищевых продуктов: растительные масла, животные топленые жиры, маргарин, кондитерские, кулинарные, хлебопекарные жиры, сливочное масло.
Натуральные жиры: животные (по большей части твердые при комнатной температуре) и растительные - масла, как правило, жидкие при комнатной температуре.
С точки зрения органической химии жирами называют сложные эфиры глицерина и жирных кислот - глицериды, а точнее - триглицериды (триацилглицерины) (R 1 , R 2 и R 3 - углеводородные остатки высших карбоновых кислот):
Липиды (от греч. lipos - жир) - это группа веществ, различных по химическому составу и структуре, общими свойствами которых являются гидрофобность (нерастворимость в воде) и способность растворяться в малополярных органических растворителях .
Согласно классификации проф. Б. Н. Тютюнникова липиды делятся на простые (глицериды, церины - основа восков, церолы, углеводороды жирного ряда), сложные (фосфатиды, гликозидолипиды, липопротеиды) и циклические (стеролы и их эфиры с высокомолекулярными жирными кислотами).
Ниже приведены две из применяемых классификаций липидов (рис. 1).
Рис. 1. Схемы, классификации липидов по химической структуре и полярности
Всего в жирах обнаружено свыше четырехсот карбоновых кислот различного строения. Наиболее распространенные в жирах кислоты содержат от 12 до 18 атомов углерода. В состав пищевых жиров входят жирные кислоты с четным числом атомов углерода в углеводородной цепи, от 4 до 26 (табл. 1). Сами жирные кислоты делятся на: насыщенные (предельные) и ненасыщенные (непредельные), содержащие двойные связи.
Табл 1. Основные карбоновые кислоты, входящие в состав природных жиров и масел
Свойства ненасыщенных жирных кислот зависят от степени ненасыщенности, т. е. количества двойных связей в молекуле. Мононенасыщенные (например, олеиновая) имеют одну двойную связь, полиненасыщенные - от двух до шести двойных связей (линолевая, линоленовая, арахидоновая и др.). Ненасыщенные жирные кислоты составляют до 80-90% жидких жиров (масел) и жиров гидробионтов (организмов, живущих в воде). Важнейшее значение для организма человека имеют ПНЖК : линолевая (2 двойные связи), линоленовая (3 двойные связи) и арахидоновая (4 двойные связи). Линолевая и линоленовая кислоты - «эссенциальные» (незаменимые ). Комплекс незаменимых полиненасыщенных жирных кислот рассматривается как комплекс F , биологическое значение которого приравнивается к витаминам.
ПНЖК подразделяют на различные семейств в зависимости от положения первой = связи от метильного конца. Если = связь на 6-м месте – ω 6 (линолевая, γ- линоленовая, арахидоновая), на 3-м- ω 3 (α-линоленовая, эйкозапентаеновая, докозагексаеновая). ω 3 жирные кислоты содержатся в липидах рыб. Рекомендуемое соотношение ω 6: ω 3 = 10:1, для лечебного питания от 3:1 до 5:1.
Биологическая эффективность жиров – показатель качества жиров ПП, отражающий содержание в них незаменимых (эссенциальных) ПНЖК и жирорастворимых витаминов.
Все пищевые жиры в зависимости от содержания полиненасыщенных жирных кислот делятся на три группы:
1. рыбий жир и растительные масла (до 60-70%);
2. свиной и птичий жиры (до 50%);
3. бараний и говяжий жиры (не более 5-6%).
Нормальное содержание жиров в организме человека составляет 10-20%, при патологии оно возрастает до 50%.
Функции жиров в организме человека:
1. являются поставщиками энергии - окисление жира 1 г жира в организме дает 38,9 кДж (9 ккал), в то время как окисление 1 г белка или углеводов - только 17,2 кДж (4 ккал);
2. выполняют структурно-пластическую функцию - входят в состав мембран и внутриклеточных образований;
3. способствуют нормальному обмену веществ как носители жирорастворимых витаминов А, D, К и Е;
4. выполняют защитную функцию - создают термоизоляционные и водоотталкивающие покровы в организме; находясь в соединительных тканях организма, предохраняют его от механических повреждений;
5. являются смазочным материалом кожи;
6. выполняют функцию регуляторов жизнедеятельности - оказывают влияние на проницаемость клеток, активность многих ферментов, участвуют в создании межклеточных контактов, мышечном сокращении и иммунохимических процессах.
В организме человека жир находится в двух видах: структурный (протоплазматический) и резервный (в жировых депо).
Важной составной частью жиров являются фосфолипиды, которые принимают активное участие в обмене веществ - входят в состав пограничного слоя клеток и являются одним из регуляторов проницаемости их стенок (группы: глицерофосфолипиды, диольные фосфолипиды и сфинголипиды). Глицерофосфолипиды:
Фосфатидилхолин составляет около 50% липидов клеточных мембран, входит в состав липопротеидов крови. Это одно из наиболее важных питательных веществ для поддержания активного состояния печени, является универсальным строительным блоком для клеточных мембран.
Фосфолипиды принимают участие в формировании клеточных и внутриклеточных мембран, определяют степень их проницаемости, участвуют в процессе свертывания крови, способствуют утилизации белка и жира в тканях, предупреждают жировую инфильтрацию печени. Из фосфолипидов наиболее распространены лецитины (соотношение фосфора и азота 1:1). Благодаря содержанию фосфора и холина лецитин является биологическим антагонистом холестерина, кроме того, он стимулирует развитие растущего организма, благоприятно влияет на деятельность нервной системы, печени, способствует кроветворению, повышает сопротивляемость организма токсическим веществам, улучшает усвоение жиров, препятствует развитию атеросклероза.
Жиры являются носителями жирорастворимых витаминов А, Д, Е, К.
В соответствии с данными Института питания РАМН суточная потребность взрослого человека в жирах составляет 95-100г, в том числе сливочного масла - 20, растительного масла - 25, животных жиров - 20, маргарина - 30 г.
Оптимальное соотношение полиненасыщенных, мононенасыщенных и насыщенных жирных кислот: 10:60:30 .
ЛИПИДЫ
Биологические функции липидов
ЛИПИДЫ - это разнородная группа природных соединений, полностью или почти полностью нерастворимых в воде, но растворимых в органических растворителях и друг в друге, дающих при гидролизе высокомолекулярные жирные кислоты.
В живом организме липиды выполняют разнообразные функции.
Биологические функции липидов:
Структурная
Структурные липиды образуют сложные комплексы с белками и углеводами, из которых построены мембраны клетки и клеточных структур, участвуют в разнообразных процессах, протекающих в клетке.
Запасная (энергетическая)
Запасные липиды (в основном жиры) являются энергетическим резервом организма и участвуют в обменных процессах. В растениях они накапливаются главным образом в плодах и семенах, у животных и рыб - в подкожных жировых тканях и тканях, окружающих внутренние органы, а также печени, мозговой и нервной тканях. Содержание их зависит от многих факторов (вида, возраста, питания и т. д.) и в отдельных случаях составляет 95-97% всех выделяемых липидов.
Калорийность углеводов и белков: ~ 4 ккал/грамм.
Калорийность жира: ~ 9 ккал/грамм.
Преимуществом жира как энергетического резерва, в отличие от углеводов, является гидрофобность – он не связан с водой. Это обеспечивает компактность жировых запасов - они хранятся в безводной форме, занимая малый объем. В среднем, у человека запас чистых триацилглицеринов составляет примерно 13 кг. Этих запасов могло бы хватить на 40 дней голодания в условиях умеренной физической нагрузки. Для сравнения: общие запасы гликогена в организме – примерно 400 гр.; при голодании этого количества не хватает даже на одни сутки.
Защитная
Подкожные жировые ткани предохраняют животных от охлаждения, а внутренние органы - от механических повреждений.
Образование запасов жира в организме человека и некоторых животных рассматривается как приспособление к нерегулярному питанию и к обитанию в холодной среде. Особенно большой запас жира у животных, впадающих в длительную спячку (медведи, сурки) и приспособленных к обитанию в условиях холода (моржи, тюлени). У плода жир практически отсутствует, и появляется только перед рождением.
Особую группу по своим функциям в живом организме составляют защитные липиды растений - воски и их производные, покрывающие поверхность листьев, семян и плодов.
Важный компонент пищевого сырья
Липиды являются важным компонентом пищи, во многом определяя ее пищевую ценность и вкусовое достоинство. Исключительно велика роль липидов в разнообразных процессах пищевой технологии. Порча зерна и продуктов его переработки при хранении (прогоркание) в первую очередь связана с изменением его липидного комплекса. Липиды, выделенные из ряда растений и животных, - основное сырье для получения важнейших пищевых и технических продуктов (растительного масла, животных жиров, в том числе сливочного масла, маргарина, глицерина, жирных кислот и др.).
Классификация липидов
Общепринятой классификации липидов не существует.
Наиболее целесообразно классифицировать липиды в зависимости от их химической природы, биологических функций, а также по отношению к некоторым реагентам, например, к щелочам.
По химическому составу липиды обычно делят на две группы: простые и сложные.
Простые липиды – сложные эфиры жирных кислот и спиртов. К ним относятся жиры , воски и стероиды .
Жиры – эфиры глицерина и высших жирных кислот.
Воски – эфиры высших спиртов алифатического ряда (с длинной углеводной цепью 16-30 атомов С) и высших жирных кислот.
Стероиды – эфиры полициклических спиртов и высших жирных кислот.
Сложные липиды – помимо жирных кислот и спиртов содержат другие компоненты различной химической природы. К ним относятся фосфолипиды и гликолипиды .
Фосфолипиды – это сложные липиды, в которых одна из спиртовых групп связана не с ЖК, а с фосфорной кислотой (фосфорная кислота может быть соединена с дополнительным соединением). В зависимости от того, какой спирт входит в состав фосфолипидов, они подразделяются на глицерофосфолипиды (содержат спирт глицерин) и сфингофосфолипиды (содержат спирт сфингозин).
Гликолипиды – это сложные липиды, в которых одна из спиртовых групп связана не с ЖК, а с углеводным компонентом. В зависимости от того, какой углеводный компонент входит в состав гликолипидов, они подразделяются на цереброзиды (в качестве углеводного компонента содержат какой-либо моносахарид, дисахарид или небольшой нейтральный гомоолигосахарид) и ганглиозиды (в качестве углеводного компонента содержат кислый гетероолигосахарид).
Иногда в самостоятельную группу липидов (минорные липиды ) выделяют жирорастворимые пигменты, стерины, жирорастворимые витамины. Некоторые из этих соединений могут быть отнесены к группе простых (нейтральных) липидов, другие - сложных.
По другой классификации липиды в зависимости от их отношения к щелочам делят на две большие группы: омыляемые и неомыляемые . К группе омыляемых липидов относятся простые и сложные липиды, которые при взаимодействии со щелочами гидролизуются с образованием солей высокомолекулярных кислот, получивших название «мыла». К группе неомыляемых липидов относятся соединения, не подвергающиеся щелочному гидролизу (стерины, жирорастворимые витамины, простые эфиры и т. д.).
По своим функциям в живом организме липиды делятся на структурные, запасные и защитные.
Структурные липиды - главным образом фосфолипиды.
Запасные липиды - в основном жиры.
Защитные липиды растений - воски и их производные, покрывающие поверхность листьев, семян и плодов, животных – жиры.
ЖИРЫ
Химическое название жиров - ацилглицерины. Это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. "Ацил-" - это означает "остаток жирных кислот".
В зависимости от количества ацильных радикалов жиры разделяются на моно-, ди- и триглицериды. Если в составе молекулы 1 радикал жирных кислот, то жир называется МОНОАЦИЛГЛИЦЕРИНОМ. Если в составе молекулы 2 радикала жирных кислот, то жир называется ДИАЦИЛГЛИЦЕРИНОМ. В организме человека и животных преобладают ТРИАЦИЛГЛИЦЕРИНЫ (содержат три радикала жирных кислот).
Три гидроксила глицерина могут быть этерифицированы либо только одной кислотой, например пальмитиновой или олеиновой, либо двумя или тремя различными кислотами:
 |
Природные жиры содержат главным образом смешанные триглице-риды, включающие остатки различных кислот.
Так как спирт во всех природных жирах один и тот же - глицерин, наблюдаемые между жирами различия обусловлены исключительно составом жирных кислот.
В жирах обнаружено свыше четырехсот карбоновых кислот различного строения. Однако большинство из них присутствует лишь в незначительном количестве.
Кислоты, содержащиеся в природных жирах, являются монокарбоновыми, построены из неразветвленных углеродных цепей, содержащих четное число углеродных атомов. Кислоты, содержащие нечетное число атомов углерода, имеющие разветвленную углеродную цепочку или содержащие циклические фрагменты, присутствуют в незначительных количествах. Исключение составляют изовалериановая кислота и ряд циклических кислот, содержащихся в некоторых весьма редко встречающихся жирах.
Наиболее распространенные в жирах кислоты содержат от 12 до 18 атомов углерода, они часто называются жирными кислотами. В состав многих жиров входят в небольшом количестве низкомолекулярные кислоты (С 2 -С 10). Кислоты с числом атомов углерода выше 24 присутствуют в восках.
В состав глицеридов наиболее распространенных жиров в значительном количестве входят ненасыщенные кислоты, содержащие 1-3 двойные связи: олеиновая, линолевая и линоленовая. В жирах животных присутствует арахидоновая кислота, содержащая четыре двойные связи, в жирах рыб и морских животных обнаружены кислоты с пятью, шестью и более двойными связями. Большинство ненасыщенных кислот липидов имеет цис-конфигурацию, двойные связи у них изолированы или разделены метиленовой (-СН 2 -) группой.
Из всех непредельных кислот, содержащихся в природных жирах, наиболее распространена олеиновая кислота. В очень многих жирах олеиновая кислота составляет больше половины от общей массы кислот, и лишь в немногих жирах ее содержится меньше 10%. Две другие непредельные кислоты - линолевая и линоленовая - также очень широко распространены, хотя они присутствуют в значительно меньшем количестве, чем олеиновая кислота. В заметных количествах линолевая и линоленовая кислоты содержатся в растительных маслах; для животных организмов они являются незаменимыми кислотами.
Из предельных кислот пальмитиновая кислота почти так же широко распространена, как и олеиновая. Она присутствует во всех жирах, причем некоторые содержат ее 15-50% от общего содержания кислот. Широко распространены стеариновая и миристиновая кислоты. Стеариновая кислота содержится в большом количестве (25% и более) только в запасных жирах некоторых млекопитающих (например, в овечьем жире) и в жирах некоторых тропических растений, например в масле какао.
Целесообразно разделять кислоты, содержащиеся в жирах, на две категории: главные и второстепенные кислоты. Главными кислотами жира считаются кислоты, содержание которых в жире превышает 10%.
Физические свойства жиров
Как правило, жиры не выдерживают перегонки и разлагаются, даже если их перегоняют при пониженном давлении.
Температура плавления, а соответственно и консистенция жиров зависят от строения кислот, входящих в их состав. Твердые жиры, т. е. жиры, плавящиеся при сравнительно высокой температуре, состоят преимущественно из глицеридов предельных кислот (стеариновая, пальмитиновая), а в маслах, плавящихся при более низкой температуре и представляющих собой густые жидкости, содержатся значительные количества глицеридов непредельных кислот (олеиновая, линолевая, ли-ноленовая).
Так как природные жиры представляют собой сложные смеси смешанных глицеридов, они плавятся не при определенной температуре, а в определенном температурном интервале, причем предварительно они размягчаются. Для характеристики жиров применяется, как правило, температура затвердевания, которая не совпадает с температурой плавления - она несколько ниже. Некоторые природные жиры - твердые вещества; другие же - жидкости (масла). Температура затвердевания изменяется в широких пределах: -27 °С у льняного масла, -18 °С у подсолнечного, 19-24 °С у коровьего и 30-38 °С у говяжьего сала.
Температура затвердевания жира обусловлена характером составляющих его кислот: она тем выше, чем больше содержание предельных кислот.
Жиры растворяются в эфире, полигалогенопроизводных, в сероуглероде, в ароматических углеводородах (бензоле, толуоле) и в бензине. Твердые жиры трудно растворимы в петролейном эфире; нерастворимы в холодном спирте. Жиры нерастворимы в воде, однако они могут образовывать эмульсии, которые стабилизируются в присутствии таких поверхностно-активных веществ (эмульгаторов), как белки, мыла и некоторые сульфокислоты, главным образом в слабощелочной среде. Природной эмульсией жира, стабилизированной белками, является молоко.
